EAVN的组成，其中红色圈指中国的射电望远镜和数据相关处理中心，白色圈指日本的射电望远镜，蓝色圈指韩国的射电望远镜和数据相关处理中心。图片来源：An T., Sohn B.-W. & Imai H., Nature Astronomy, 2018.

当人类最先进的地面和空间望远镜都对准距离地球5500万光年的M87中心黑洞（世界首张黑洞照片的“主角”）会发生什么？

包括上海天马望远镜在内的全球19台望远镜（阵）刚刚宣布，对M87开展了前所未有的多波段同步观测结果，观测全部数据即将对全球科学家公开。这是迄今为止对超大质量黑洞及其喷流的频率覆盖最广的同步观测。这份被天文学家誉为“传世数据”该数据将极大加深对黑洞中央引擎及其系统的理解，并提升爱因斯坦广义相对论的检验精度。

M87的多波段观测结果，左下为世界首张黑洞照片。

在全球云集的望远镜阵中，上海天文台沈志强研究员领导的天马望远镜团队，实现了13毫米和7毫米两个波段的VLBI（甚长基线干涉技术）系统调试以及低频波段的检查，与全球望远镜组网，成为组成“传世数据”的重要拼图。

故事还将继续：本月上旬开始，天文学家再一次开展对M87、银河系中心超大质量黑洞以及若干遥远黑洞的多波段观测，天马望远镜仍在其中发挥重要作用。而事件视界望远镜（EHT）比“首张黑洞照片”观测时期还新增了三台望远镜。

调集全球最先进望远镜，探究黑洞“隐秘的角落”

2019年4月，科学家发布了有史以来第一张黑洞照片，这一卓越成就就是通过事件视界望远镜（EHT）于2017年4月对M87星系中央超大质量黑洞的观测获得的。然而，这仅仅只是整个科学故事的开始。

上图为世界首张黑洞照片的偏正图。下图从左到右，为 M87 星系、M87 黑洞喷流、首张黑洞流量总强度照片。

为了更好地理解这张黑洞照片，全球天文学家协调了包括地面和空间最先进的望远镜，这些望远镜共同努力的成果同步收集到了M87中心黑洞在观测期间整个电磁波范围内的辐射，这是迄今为止对超大质量黑洞及其喷流的频率覆盖最广的同步观测。

为何要动用如此大阵仗对M87中心黑洞进行观测？事实上，科学家们早就预测超大质量黑洞除了会“吸”，还会“喷”。在巨大引力驱动下，超大质量黑洞喷出的强大喷流能以接近光速的速度传播到很远，且喷流的辐射覆盖从无线电波、可见光到伽马射线的整个电磁波谱。对每个黑洞而言，其在各电磁波段的辐射特征各不相同。收集这些辐射“指纹”可以加深人们对黑洞性质的了解。

为了证实这一假说，天文学家们几乎拿出了大部分“家当”。来自32个国家或地区的近200个科研机构的760名科学家和工程师组成的团队，使用19台望远镜（阵），成功汇集了M87中心黑洞2017年3月底至4月中旬的观测数据。

参与观测的望远镜包括在空间中的哈勃望远镜，主要观测的波段是光学、紫外线；钱德拉望远镜，主要关注X射线波段；费米拉望远镜，主要关注伽马射线波段。而在地面上的先进望远镜有欧洲的VLBI阵、ALMA望远镜（世界最大的射电望远镜阵列）、天马望远镜等。

“世界各地天文学家为追求同一个目标，动用许多世界上最好的望远镜，获得一份‘传世数据’，这是前所未有的。”沈志强说。

年轻的射电望远镜补足黑洞数据重要“拼图”

上海65米射电望远镜，坐落于上海天马山山脚下，因而又有“天马望远镜”之称。尽管还“未满10周岁”，但它已经参与了诸多重点工程，包括“嫦娥”工程、“探火”任务等。在此次全球望远镜同步观测中，“天马望远镜”发挥了重要作用。

位于上海佘山的“天马望远镜”

“天马射电望远镜”参与了2017年5月9日的欧洲VLBI网170毫米观测，与欧洲的射电望远镜连线，拉长了观测基线，从而提高了欧洲VLBI网的分辨能力。

天马望远镜全程参与了2017年3月-5月东亚VLBI网在13毫米和7毫米对M87共14次EHT协同观测。在天马加入之前，东亚VLBI网中的望远镜多为20米级射电望远镜，天马望远镜加入后有效接收面积提升大于其他毫米波综合口径，它以一己之力将东亚VLBI网成图质量提升一倍。其中，天马望远镜在7毫米波段的观测是中国首次成功参加7毫米国际VLBI联合观测。

“波长越短，频率越高，能量也越高。”上海天文台高级工程师仲伟业说。在此之前，国内尚没有7毫米波段接收机，仲伟业带领团队，自主研发了K（7毫米）和Q（13毫米）波段双波束制冷接收机，测试数据达到国际先进水平。值得一提的是，这支队伍中最年长的仲伟业才35岁。

甜甜圈、旋转烟花……未来的黑洞什么样？

2019年4月10日，事件视界望远镜（EHT）合作组织公布了那张轰动世界的首张黑洞照片，看上去像一个温暖的橙色“甜甜圈”。2021年3月24日，EHT再次发布黑洞偏正图像，这次它像“旋转烟花”。

然而这都不是黑洞最“真实”的样子，随着更多数据的揭秘，人类对黑洞的认知有望更“逼近真相”。

“想要了解一个物体的真实面貌，要除去它偶然的变化，看它通常的样子。”沈志强说。幸运的是，此次同步波段观测期间，M87超大质量黑洞周围物质产生的辐射强度处于有观测记录以来的最低水平，没有耀发现象的平静状态为看清黑洞“阴影”提供了理想条件。

下一次公布的黑洞照片什么样？沈志强说，最有可能的是拖着一条“尾巴”，事实上无论是7毫米、13毫米还是170毫米的短波观测中，已经能看到黑洞喷出的高能辐射流。

这将引起很有意思的研究。比如高能粒子加速机制，黑洞周围的极端环境可以加速粒子产生极高能量的辐射，可能比地球上最强大的人工加速器大型强子对撞机（LHC）产生的能量高一百万倍，观测数据支持这些高能辐射很有可能就来自于昨天发布图像上显示的黑洞喷流。

另一个有意思的问题是，这些黑洞喷流都呈现出被“束缚”的效果，是什么让它们在长远的喷射中不向外扩散，是否有磁场包裹着它们，这些都有待科学家依据数据给予进一步解答。

一位麦吉尔大学的合作者就兴奋地表示：“有多个小组正在加紧研究他们的模型是否与这些丰富的观测结果相符，我们很高兴看到整个领域都使用这些公开数据帮我们更好地了解黑洞与喷流之间的深层联系。”而阿姆斯特丹大学的合作者则表示：“粒子的加速机制是我们理解黑洞照片和喷流的关键，我们的数据将帮助我们估算携带的能量以及黑洞的喷流对其环境的反馈。”

人类对于宇宙的好奇心从未停止，“年轻”的天马望远镜也正值“当打之年”。上海天文台研究员刘庆会表示：“未来天马望远镜仍将积极参与到这类国际合作中，对包括M87在内的更多黑洞天体进行观测。”

作者：沈湫莎

图片：除注明外均由上海天文台提供

责任编辑：任荃

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